Андрей Смирнов
Время чтения: ~9 мин.
Просмотров: 1

Какие бывают марки углеродистой стали

Классификация по степени раскисления

На разделение на типы влияет, в частности, степень раскисления. В зависимости от этого параметра наши сплавы делят на полуспокойные, спокойные и кипящие.

Более однородную внутреннюю структуру имеют спокойные стали, чье раскисление достигается путем добавления в расплавленный металл алюминия, ферросилиция и ферромарганца. Благодаря тому, что сплавы нашей категории полностью раскислились в печи, в их составе отсутствует закись железа. Остаточный алюминий, препятствующий росту зерна, обеспечивает мелкозернистую структуру. Она и практически абсолютное отсутствие растворенных газов позволяет получить качественный металл для изготовления из него самых ответственных деталей и конструкций. Наряду с плюсами у спокойных сплавов есть большой минус — достаточно дорогая выплавка.

Есть более дешевые, хотя и менее качественные, углеродистые сплавы, при выплавке которых используют минимум специальных добавок. В структуре такого металла из-за того, что процесс раскисления в печи не довели до конца, есть растворенные газы, негативно отражающиеся на характеристиках. Азот, например, плохо влияет на свариваемость и провоцирует образование трещин в области шва. Развитая ликвация в структуре сплавов приводит к тому, что металлопрокат, сделанный из них, отличается неоднородностью по структуре и механическим характеристикам.

У полуспокойных сталей промежуточное положение по свойствам и степени раскисления. Перед заливкой в изложницы в состав их вводится немного раскислитилей, благодаря которым затвердеванием металла происходит практически без кипения, но выделение газов в нем продолжается. В результате получается отливка, в структуре которой меньше газовых пузырей, чем в кипящих сталях. Эти внутренние поры при последующей прокатке металла завариваются практически полностью.

Большая часть полуспокойных углеродистых сталей используется как конструкционные материалы.

Что собой представляют углеродистые стали

Углеродистые стали, которые в зависимости от основной сферы применения подразделяются на конструкционные и инструментальные, практически не содержат в своем составе легирующих добавок. От обычных стальных сплавов эти стали также отличает и то, что в их составе содержится значительно меньшее количество таких базовых примесей, как марганец, магний и кремний.

Содержание основного элемента – углерода – в сталях данной категории может варьироваться в достаточно широких пределах. Так, высокоуглеродистая сталь содержит в своем составе 0,6–2% углерода, среднеуглеродистые стали – 0,3–0,6%, низкоуглеродистые – до 0,25%. Данный элемент определяет не только свойства углеродистых сталей, но и их структуру. Так, внутренняя структура стальных сплавов, содержащих в своем составе менее 0,8% углерода, состоит преимущественно из феррита и перлита, при увеличении концентрации углерода начинает формироваться вторичный цементит.

Нормы содержания химических элементов в углеродистых сталях

Углеродистые стали с преобладающей ферритной структурой отличаются высокой пластичностью и низкой прочностью. Если же в структуре стали преобладает цементит, то она характеризуется высокой прочностью, но вместе с этим является и очень хрупкой. При увеличении количества углерода до 0,8–1% прочностные характеристики и твердость углеродистой стали возрастают, но значительно ухудшаются ее пластичность и вязкость.

Количественное содержание углерода также оказывает серьезное влияние на технологические характеристики металла, в частности на его свариваемость, легкость обработки давлением и резанием. Из сталей, относящихся к категории низкоуглеродистых, изготавливают детали и конструкции, которые не будут подвергаться значительным нагрузкам в процессе эксплуатации. Характеристики, которыми обладают среднеуглеродистые стали, делают их основным конструкционным материалом, используемым в производстве конструкций и деталей для нужд общего и транспортного машиностроения. Высокоуглеродистые стальные сплавы благодаря своим характеристикам оптимально подходят для изготовления деталей, к которым предъявляются повышенные требования по износостойкости, для производства ударно-штампового и измерительного инструмента.

Химический состав углеродистых сталей обыкновенного качества

Углеродистая сталь, как и стальной сплав любой другой категории, содержит в своем составе различные примеси: кремний, марганец, фосфор, серу, азот, кислород и водород. Часть этих примесей, такие как марганец и кремний, являются полезными, их вводят в состав стали на стадии ее выплавки для того, чтобы обеспечить ее раскисление. Сера и фосфор – это вредные примеси, которые ухудшают качественные характеристики стального сплава.

Хотя считается, что углеродистые и легированные стали несовместимы, для улучшения их физико-механических и технологических характеристик может выполняться микролегирование. Для этого в углеродистую сталь вводятся различные добавки: бор, титан, цирконий, редкоземельные элементы. Конечно, при помощи таких добавок не получится сделать из углеродистой стали нержавейку, но заметно улучшить свойства металла они вполне могут.

Это интересно: Стальной канат — классификация и критерии выбора троса

Основные характеристики

В зависимости от основного своего назначения углеродистые стали делятся на инструментальные и конструкционные, легирующих элементов в их составе практически нет. От обыкновенных стальных сплавов они отличаются еще и тем, что имеют в составе значительно меньше базовых примесей: марганца, магния, кремния. Содержание главного элемента — углерода — варьируется в довольно широких пределах. В составе высокоуглеродистой стали содержится 0,6−2% C, среднеуглеродистой — 0,3−0,6%, низкоуглеродистой — до 0,25%.

Основной элемент определяет свойства и структуру. Во внутренней структуре сплавов с менее чем 0,8% C (сталь доэвтектоидная) — преимущественно перлит и феррит, а при увеличении концентрации главного элемента формируется вторичный цементит.

Представленные стали с преобладанием ферритной структурой высоко пластичны и имеют низкую прочность. Если в структуре преобладает цементит, металл характеризуется высокой прочностью, однако и большой хрупкостью. При повышении содержания C до 0,8−1% растет прочность и твердость, но сильно ухудшается вязкость и пластичность.

Количественное содержание углерода сказывается на технологических характеристиках, в частности, на свариваемости, легкости обработки резанием и давлением.

  • Из низкоуглеродистых сталей изготавливают детали и конструкции, не предназначенные для значительных нагрузок.
  • Характеристики среднеуглеродистых сталей делают их основным конструкционным материалом, который используется в производстве конструкций и деталей для транспортного и общего машиностроения.
  • Высокоуглеродистые сплавы оптимальны для изготовления деталей, которые должны иметь повышенную износостойкость, в производстве измерительного и ударно-штампового инструмента.

Металл, как и иные стальные сплавы, в составе содержат примеси:

  • кремний;
  • фосфор;
  • марганец;
  • азот;
  • серу;
  • водород;
  • кислород.

Кремний и марганец — это полезные примеси, которые вводятся в состав на стадии выплавки для раскисления. Фосфор и сера — вредные примеси, ухудшающие качественные характеристики сплава.

Считается, что легирование и углеродистые виды несовместимы, тем не менее с целью улучшения их технологических и физико-механических характеристик может выполняться микролегирование с помощью добавления различных добавок:

  • бора;
  • титана;
  • циркония;
  • редкоземельных элементов.

С их помощью не удастся превратить металл в нержавейку, но значительно улучшить свойства получится.

ГОСТ

Производство изделий марки 20 имеет свои стандарты:

  • Прокаты фасонного и сортового типа делаются в соответствии норм и правил ГОСТ, изданными в следующих номерах: 1050-88, 2590-2006, 2591-2006, 2879-2006, 8509-93, 8510-86, 8240-97, 8239-89.
  • Пруток калиброванный изготавливается в соответствии со стандартами ГОСТ: 7417-75, 8559-75, 8560-78, 10702-78.
  • Серебрянка и шлифованный пруток регламентируются ГОСТ 14955-77.
  • Толстые листы представляют собой заготовки, выполненные в строгом соответствии со стандартами ГОСТ 1577-93 и ГОСТ 19903-74.
  • Тонкие листы изготавливаются в соответствии с ГОСТ 16523-97.
  • Производство лент происходит строго в соответствии четырех стандартов ГОСТ: 6009-74, 10234-77, 103-2006, 82-70.
  • Проволочные изделия подлежат заготовки по ГОСТу 5663-79 и ГОСТу 17305-91.
  • Заготовки кованого типа, а также поковки изготавливаются согласно правилам и принятым стандартам ГОСТ 8479-70.
  • Трубы подлежат регламенту семи ГОСТов: 10704-91, 10705-80, 8731-74, 8732-78, 8733-74, 5654-76 и 550-75.

1 Характеризуем углеродистую сталь

Сталь состоит из двух компонентов – железа (Fe) и углерода (С). Также в составе присутствуют добавки, но когда доля примесей сведена к минимуму, то речь идет об углеродистых сплавах. Этот тип делится на низко-, средне- и высокоуглеродистые. В первом случае в составе присутствует менее 0,2% С, во втором 0,2–0,6%, а в третьем содержание углерода достигает 2%.

К достоинствам материала стоит отнести приемлемую цену в сочетании с довольно неплохими характеристиками. Углеродистые стали пластичны и прекрасно подвергаются обработке независимо от температуры нагрева. Еще к плюсам можно отнести отличную свариваемость. Этот материал остается прочным даже при 400 °C и не боится динамических нагрузок. Штампуемость ухудшается с повышением количества углерода.

Недостатков тоже хватает:

  • при нагреве более 200 °C страдает твердость и режущая способность;
  • сплав склонен к коррозии, поэтому нуждается в защитном покрытии.
  • электротехнические свойства на низком уровне.
  • материал склонен к тепловому расширению.

Коррозия углеродистой стали

В доэвтектоидных сплавах доля С не превышает 0,8%. Для такого материала характерна структура, состоящая из зерен феррита и перлита. Причем с увеличением С преобладает перлит, а вторая структурная составляющая стремится к минимуму. В эвтектоидных сталях (0,8% С) соответственно остается один перлит. А вот дальнейшее увеличение в составе углерода приводит к появлению вторичного цементита. Последние сплавы называются заэвтектоидными.

На свойства углеродистых сталей влияет и доля постоянных примесей. К полезным добавкам относятся кремний и марганец. Эти элементы способствуют раскислению сплава, а вот содержание фосфора с серой наоборот. Повышенное содержание Р приводит к хладноломкости, т.е. заготовка растрескивается и ломается во время холодной обработки. Однако в нагретом состоянии сплав можно подвергать обработке (ковке, сварке и т. д.).

Сера вызывает красноломкость. Этот дефект характеризуется плохой обрабатываемостью материала при термическом воздействии. Сернистое железо образует эвтектику с Fe, которая распределяется по краям зерен, и с повышением температуры она начинает плавиться. В результате нарушается связь между зернами и образуются трещины. Чтобы улучшить технологические показатели углеродистых сталей, можно провести микролегирование цирконием, титаном и бором.

Сварка нержавеющих сталей

Аустенитные нержавеющие стали вроде 12Х18Н9, 12Х18Н10 (примерно из таких прокатывают листовую нержавейку) не переносят прокаливания. Прокаливание вызывает в них структурные изменения, из-за которых после прокаливания в стали начнётся межзерновая (межкристаллитная) коррозия. Межзерновая коррозия опасна ещё и тем, что не вызывает потерю товарного вида изделия, так что изделие/деталь из нержавейки, будучи по-прежнему красивым и блестящим, под нагрузкой может внезапно развалиться, расколоться, разрушиться.

Для защиты от межкристаллитной коррозии в такие нержавейки добавляют титан (Т) или ниобий (Б) в количестве 5C — 0,6 %. Легированные таким образом стали обозначаются: 12Х18Н9Т, 12Х18Н9Б, 12Х18Н10Т, 12Х18Н10Б. Соответственно, аустенитные нержавейки для сварки годятся (если без последующей термообработки) те, которые с буквой «Т» или «Б» в конце.

Электросварку нержавейки можно осуществлять контактной сваркой, сваркой неплавящимся электродом (вольфрамовым электродом, с аргоном в качестве защитного газа), полуавтоматической сваркой в среде защитных газов (смесь аргона с углекислым газом), сваркой штучными (покрытыми) электродами.

Штучные (покрытые) сварочные электроды выпускаются не только из обычной («чёрной») стали (для сварки обычной стали), но и из нержавейки (например, «УОНИИ-13/НЖ») — для сварки деталей из нержавейки. Электрическое сопротивление нержавейки больше, чем электрическое сопротивление обычной («чёрной») стали, поэтому сварочные электроды из нержавейки делают короче, чем электроды из обычной («чёрной») стали, так как слишком длинный нержавейковый электрод может расплавиться (сразу по всей длине) и обрушиться до того, как будет израсходован полностью.

Для приваривания детали из нержавейки к детали из обычной («чёрной») стали нужны т. н. переходные электроды. В этом случае к сварке предъявляется требование, что сварочный шов должен быть из нержавейки,
поэтому нержавейка, из которой сделаны переходные электроды, имеет в своём составе повышенное (примерно в полтора раза) содержание легирующих элементов (например, «Х25Н18…»; «Х23Н15…»). Переходные электроды имеют зелёное покрытие.

Сварочные электроды с голубым покрытием — для сварки пищевой нержавейки (баки, цистерны, трубопроводы, лопасти мешалок и т. п. для пищевой промышленности).

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации